CN112727479B
有效
一种纠偏盾构机滚动角的装置及其施工方法
技术领域
[0001]本发明属于盾构施工装置技术领域，具体涉及一种纠偏盾构机滚动角的装置及其施工方法。
背景技术
[0002]我国经济的飞速发展加速了城市化建设，城市人口密度的提高和地面可利用空间不断减少，使得地铁建设成为各大城市地下空间开发的重点。地铁施工实践表明盾构工法技术具有智能化、安全、快捷等特点，已经成为地铁隧道施工的最重要工法。因此，提高盾构施工的技术工艺水平一直以来都是国内外本领域学者追求的目标。地层的不均匀性、隧道轴线的弯曲和盾构机设备自身原因等多种因素极易引起盾构反扭矩的不平衡，导致盾构机滚动角的变化。
[0003]专利号为CN109209409B的中国专利公开了“一种改变盾构机滚动角的千斤顶”，用于盾构施工时的盾构机滚动角纠偏，盾构机包括前端的刀盘、与刀盘相连的盾壳和盾壳后方的管片；盾壳尾部设有盾构机油泵，盾构机油泵撑靴伸展时与管片相接；千斤顶设于管片与盾构机油泵撑靴的接触点处；千斤顶包括摩擦板和固定于摩擦板边缘处的调节螺栓；当千斤顶工作时，所述千斤顶摩擦板置于管片与伸展状态的盾构机油泵撑靴之间；千斤顶调节螺栓的非固定端支撑于支撑点处；操作人员旋转调节螺栓使摩擦板在管片与撑靴间移动，使千斤顶摩擦板经撑靴向盾壳施力，以对盾构机的滚动角纠偏。该发明适用于淤泥质土等复杂地层中时盾构机滚动角出现失控后的及时纠偏。该方法在实际应用中发现存在诸多的不足：1)螺旋拧进深度与推力的大小关系为给出对应关系，操作时完全凭借经验感觉来调整；2)在盾构推进过程中，撑靴与螺旋的接触稍有脱离，千斤顶推力就会消失，需要实时拧进螺旋，操作繁琐；3)千斤顶钢板的螺旋拧至最底后需要停止盾构掘进，调整千斤顶钢板的位置，并将螺旋拧至最顶端；4)对纠正淤泥质土中50mm/m以内的滚动角效果较好，对其他土层或较大的滚动角纠正效果并不理想，且螺旋千斤顶的推力很难维持，存在很大的缺陷。
发明内容
[0004]本发明的目的在于提供一种纠偏盾构机滚动角的装置及其施工方法，以纠正盾构机构的回转角，有效快速纠正盾构机滚动角。
[0005]为达到上述目的，研究出了一种钢楔块来纠正盾构机的回转角，具体技术方案如下：
[0006]一种纠偏盾构机滚动角的装置，包括刀盘、盾壳、油缸、盾构机油泵撑靴、钢楔块和管片，钢楔块插置于管片与盾构机油泵撑靴之间，其斜面与盾构机油泵撑靴相碰触，其平面与管片相碰触；
[0007]α为钢楔块的倾角，μ’2为钢楔块与盾构机油泵撑靴之间的摩擦系数，μ’3为钢楔块与管片间的摩擦系数，为了保证在盾构机能稳定的纠偏，即钢楔块在管片上不发生滑动，所述钢楔块的角度需满足
T0为一个油缸能提供的纠偏环向力矩，MD为盾构刀盘扭矩，MG为初始盾构和管片自重反力矩，MZ为周边土体摩擦阻力产生的力矩，将钢楔块布置在撑靴与管片之间，单个钢楔块在双油缸推力下产生的纠偏环向力矩为T0，钢楔块进行纠正盾构机滚动角需满足一定的数量，所述钢楔块的数量满足nT0+MD＞MG+MZ，即能达到纠正盾构机滚动角的效果；
[0008]T0＝P0R1(sinα-μ′2cos2α) (公式1)，
[0009]式中P0为油缸的推力，R1为油缸轴线到盾构机轴线的距离，α为钢楔块的倾角；
[0010]MD＝κD3 (公式2)，
[0011]式中κ为取决于地层条件和盾构类型的示数，D为刀盘直径；
[0012]MG＝(G1+nG2)μ0R (公式3)，
[0013]式中G1为盾构机自重，G2为管片自重，μ0为盾壳与上覆土体之间的阻滞摩擦系数，R为盾壳半径；
[0014]MZ＝4μ0γLR2(H-R) (公式4)，式中μ0为盾壳与上覆土体之间的阻滞摩擦系数，R为盾壳半径，L为盾壳长度，γ为土的重度。
[0015]进一步地，所述的钢楔块和管片之间垫有缓冲垫。
[0016]一种纠偏盾构机滚动角的装置的施工方法，其特征在于，在盾构机的掘进过程中，根据偏转情况，适时调整：收回部分油缸，然后插入钢楔块，并将油缸顶回，继续掘进操作。
[0017]在盾构掘进过程中，管片固定不动，油缸通过撑靴施加一顶进推力作用在管片上。当盾构机在推进过程中有机体出现回转或者回转趋势时，油缸千斤顶推力P0作用在钢楔块上，由于角度α的存在，在撑靴上会产生一个分力P0sinα，克服钢楔块与撑靴之间的摩擦力形成对油缸的环向扭矩T0。
[0018]相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
[0019]1)在推进管片环数较多的时候，采用本发明的装置纠偏，盾构机滚动角也能够迅速减小；
[0020]2)本发明操作简单，钢楔块的推力易维持，不需调整。
附图说明
[0021]图1一种纠偏盾构机滚动角的装置的立体示意图；
[0022]图2钢楔块纠偏原理图；
[0023]图3盾构机滚动角检测数据图。
[0024]图中：1-刀盘；2-盾壳；3-油缸；4-盾构机油泵撑靴；5-钢楔块；6-管片。
具体实施方式
[0025]下面结合说明书附图和实施例对本发明进行进一步地说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
[0026]如图1所示，一种纠偏盾构机滚动角的装置，包括刀盘1、盾壳2、油缸3、盾构机油泵撑靴4、钢楔块5和管片6，所述刀盘1设于盾壳2的一端，具有一定角度的钢楔块5插置于管片6与盾构机油泵撑靴4之间，油缸3一端连接盾构机油泵撑靴4。T0为一个油缸能提供的纠偏环向力矩，添加n个油缸所能提供的纠偏环向力矩为n T0，MD为盾构刀盘扭矩，MG为盾构机和管片自重反力矩，MZ为周边土体摩擦阻力产生的力矩，为有效纠正滚动角需满足nT0+MD＞MG+MZ。
[0027]如图2所示，油缸3推力P0作用在钢楔块5上，由于角度α的存在，在盾构机油泵撑靴4上会产生一个分力P0sinα，克服钢楔块5与盾构机油泵撑靴4之间的摩擦力，形成对油缸3的纠偏环向扭矩T0。
[0028]在实际操作过程中，在掘进到390环时，盾构机出现回转角增大的现象。盾构机滚动角发生段土层为砂质粉土和淤泥质粉质粘土夹粉土，仪表显示的刀盘最大扭矩值为3000kN·m，即MD＝3000kN·m，盾壳2与周围土体间的摩擦系数μ0取0.3，盾构机油泵撑靴4与管片6之间的μ1取0.27；根据现场情况，盾构机中轴线到地表距离H＝10m；钢楔块5与管片6间垫有废旧的轮胎，摩擦系数μ′3取0.8，钢楔块5与盾构机油泵撑靴4间的摩擦系数μ′2取0.22，根据计算结果以及实际操作情况，本工程钢楔块的夹角α取7.6°，盾构机穿越的土层力学参数见表1，土压平衡式盾构机主要性能参数见表2。
[0029]表1盾构机穿越土层物理参数表
[0030]
[0031]表2土压平衡式盾构机主要性能参数
[0032]
[0033]工程中使用的钢楔块5材料采用Q235型号钢板，通过焊接成具有一定角度的三角钢块，角度约为7.6°。
[0034]将现场相关数据代入到公式中，求出n≥7.7，可知纠偏现场的土压平衡式盾构机滚动角，安置8块上述钢楔块5即可。
[0035]从图3中现场盾构机滚动角监测数据可知，在左线推进第390环的时候，盾构机出现滚动角增大的现象，滚动角为10mm/m，随后及时反转刀盘，由于刀盘反转扭矩达不到盾构的纠偏扭矩，滚动角仍然持续增大，当掘进到447环时，滚动角达到100mm/m，随即在盾构机油泵撑靴4与管片6之间放置足量的钢板千斤顶，在开始掘进了3环的时候，滚动角有降低5mm/m，但到450环后，滚动角又开始增大，钢板千斤顶方案失败。究其原因，主要是螺旋千斤顶与盾构机油泵撑靴4容易脱离，不能持续提供纠偏力。经改进研究后在460环，滚动角为116mm/m时，采用本发明的技术，盾构机滚动角迅速减小，在掘进到490环时滚动角降低到4mm/m，在控制范围之内，盾构能正常掘进。由此说明本发明可以迅速、有效的纠正盾构机滚动角。
T0为一个油缸能提供的纠偏环向力矩，MD为盾构刀盘扭矩，MG为初始盾构和管片自重反力矩，MZ为周边土体摩擦阻力产生的力矩，将钢楔块布置在撑靴与管片之间，单个钢楔块在双油缸推力下产生的纠偏环向力矩为T0，钢楔块进行纠正盾构机滚动角需满足一定的数量，所述钢楔块的数量满足nT0+MD＞MG+MZ，即能达到纠正盾构机滚动角的效果；
[0008]T0＝P0R1(sinα-μ′2cos2α) (公式1)，
[0009]式中P0为油缸的推力，R1为油缸轴线到盾构机轴线的距离，α为钢楔块的倾角；
[0010]MD＝κD3 (公式2)，
[0011]式中κ为取决于地层条件和盾构类型的示数，D为刀盘直径；
[0012]MG＝(G1+nG2)μ0R (公式3)，
[0013]式中G1为盾构机自重，G2为管片自重，μ0为盾壳与上覆土体之间的阻滞摩擦系数，R为盾壳半径；
[0014]MZ＝4μ0γLR2(H-R) (公式4)，式中μ0为盾壳与上覆土体之间的阻滞摩擦系数，R为盾壳半径，L为盾壳长度，γ为土的重度。
[0015]进一步地，所述的钢楔块和管片之间垫有缓冲垫。
[0016]一种纠偏盾构机滚动角的装置的施工方法，其特征在于，在盾构机的掘进过程中，根据偏转情况，适时调整：收回部分油缸，然后插入钢楔块，并将油缸顶回，继续掘进操作。
[0017]在盾构掘进过程中，管片固定不动，油缸通过撑靴施加一顶进推力作用在管片上。当盾构机在推进过程中有机体出现回转或者回转趋势时，油缸千斤顶推力P0作用在钢楔块上，由于角度α的存在，在撑靴上会产生一个分力P0sinα，克服钢楔块与撑靴之间的摩擦力形成对油缸的环向扭矩T0。
[0018]相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
[0019]1)在推进管片环数较多的时候，采用本发明的装置纠偏，盾构机滚动角也能够迅速减小；
[0020]2)本发明操作简单，钢楔块的推力易维持，不需调整。
附图说明
[0021]图1一种纠偏盾构机滚动角的装置的立体示意图；
[0022]图2钢楔块纠偏原理图；
[0023]图3盾构机滚动角检测数据图。
[0024]图中：1-刀盘；2-盾壳；3-油缸；4-盾构机油泵撑靴；5-钢楔块；6-管片。
具体实施方式
[0025]下面结合说明书附图和实施例对本发明进行进一步地说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
[0026]如图1所示，一种纠偏盾构机滚动角的装置，包括刀盘1、盾壳2、油缸3、盾构机油泵撑靴4、钢楔块5和管片6，所述刀盘1设于盾壳2的一端，具有一定角度的钢楔块5插置于管片6与盾构机油泵撑靴4之间，油缸3一端连接盾构机油泵撑靴4。T0为一个油缸能提供的纠偏环向力矩，添加n个油缸所能提供的纠偏环向力矩为n T0，MD为盾构刀盘扭矩，MG为盾构机和管片自重反力矩，MZ为周边土体摩擦阻力产生的力矩，为有效纠正滚动角需满足nT0+MD＞MG+MZ。
[0027]如图2所示，油缸3推力P0作用在钢楔块5上，由于角度α的存在，在盾构机油泵撑靴4上会产生一个分力P0sinα，克服钢楔块5与盾构机油泵撑靴4之间的摩擦力，形成对油缸3的纠偏环向扭矩T0。
[0028]在实际操作过程中，在掘进到390环时，盾构机出现回转角增大的现象。盾构机滚动角发生段土层为砂质粉土和淤泥质粉质粘土夹粉土，仪表显示的刀盘最大扭矩值为3000kN·m，即MD＝3000kN·m，盾壳2与周围土体间的摩擦系数μ0取0.3，盾构机油泵撑靴4与管片6之间的μ1取0.27；根据现场情况，盾构机中轴线到地表距离H＝10m；钢楔块5与管片6间垫有废旧的轮胎，摩擦系数μ′3取0.8，钢楔块5与盾构机油泵撑靴4间的摩擦系数μ′2取0.22，根据计算结果以及实际操作情况，本工程钢楔块的夹角α取7.6°，盾构机穿越的土层力学参数见表1，土压平衡式盾构机主要性能参数见表2。
[0029]表1盾构机穿越土层物理参数表
[0030]
[0031]表2土压平衡式盾构机主要性能参数
[0032]
[0033]工程中使用的钢楔块5材料采用Q235型号钢板，通过焊接成具有一定角度的三角钢块，角度约为7.6°。
[0034]将现场相关数据代入到公式中，求出n≥7.7，可知纠偏现场的土压平衡式盾构机滚动角，安置8块上述钢楔块5即可。
[0035]从图3中现场盾构机滚动角监测数据可知，在左线推进第390环的时候，盾构机出现滚动角增大的现象，滚动角为10mm/m，随后及时反转刀盘，由于刀盘反转扭矩达不到盾构的纠偏扭矩，滚动角仍然持续增大，当掘进到447环时，滚动角达到100mm/m，随即在盾构机油泵撑靴4与管片6之间放置足量的钢板千斤顶，在开始掘进了3环的时候，滚动角有降低5mm/m，但到450环后，滚动角又开始增大，钢板千斤顶方案失败。究其原因，主要是螺旋千斤顶与盾构机油泵撑靴4容易脱离，不能持续提供纠偏力。经改进研究后在460环，滚动角为116mm/m时，采用本发明的技术，盾构机滚动角迅速减小，在掘进到490环时滚动角降低到4mm/m，在控制范围之内，盾构能正常掘进。由此说明本发明可以迅速、有效的纠正盾构机滚动角。
